Synthèse de polyéthers linéaires cycliques substitués par des cyclodextrines: application en chromatographie gazeuse et électrophorèse capillaire

Texte intégral

(1)Université de Neuchâtel Faculté des Sciences. Synthèse de polyéthers linéaires et cycliques substitués par des cyclodextrines. Applications en chromatographie gazeuse et électrophorèse capillaire.. Travail de thèse présenté à la Faculté des Sciences par Manuel Tharin Chimiste diplômé de l’Université de Neuchâtel pour l’obtention du titre de Docteur ès Sciences. Institut de Chimie. mai 2002.

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(3) à mes Parents.

(4) Le présent travail a été réalisé de mai 1997 à mai 2002 dans les laboratoires de Chimie Organique Analytique de l’Université de Neuchâtel, sous la direction du Professeur Raffaele Tabacchi. Je tiens à lui exprimer ma reconnaissance pour la confiance qu’il m’a accordée dans la conduite de ce travail ainsi que dans les tâches d’assistanat qui m’ont été confiées. Je remercie tout particulièrement le Docteur Saturnin Claude, instigateur et superviseur de ce projet de recherche, dont les indispensables conseils, tant chromatographiques que synthétiques, ont permis de mener ce travail à terme. Je lui suis également infiniment reconnaissant pour les nombreuses heures investies dans la correction du présent manuscrit. J’adresse également mes remerciements sincères à toutes les personnes qui ont contribué à l’aboutissement de ce projet. En particulier : Les Professeurs Robert Deschenaux (Université de Neuchâtel) et Jean-Luc Veuthey (Université de Genève), pour avoir accepté d’évaluer ce travail. Christian Ragot et Pascal Grossenbacher, pour leur patience infinie et leur importante contribution à la partie synthétique de ce projet. Samir Cherkaoui et Jocelyne Pratt (Groupe du Prof. J.-L. Veuthey, Université de Genève), pour la conception et la conduite des analyses électrochromatographiques. Jean-Marc Vaucher et Claire-Lise Porret-Zbinden pour leur nombreux conseils techniques et leur indispensable bonne humeur. Le service de spectrométrie de masse de l’Université de Neuchâtel ( Christine Poliart, Armelle Michel, Camille Perret et Nicolas Mottier), le service de RMN de L’Université de Neuchâtel (Heinz Bursian et Saturnin Claude) et Stephane Campidelli (DSC) pour les innombrables mesures nécessaires à l’identification des composés présentés dans ce travail. Mes amis et collègues, pour avoir simplement été eux-mêmes et pour les moments inoubliables qu’ils m’ont permis de partager. Anne, Béatrice, Jean-Jacques et Florence pour leur soutien si précieux. Le financement de ce projet a été assuré par le Fond des Bourses de l’Industrie Chimique Bâloise, Lonza Group et le Département de l’Instruction Publique de Neuchâtel..

(5) Résumé. La détermination univoque des compositions énantiomériques et des configurations absolues se révèle être une tâche d’importance primordiale. En effet, dans de très nombreux cas, les interactions spécifiques entre les récepteurs des systèmes vivants et les substrats considérés sont intimement liées à la chiralité de ceux-ci. Actuellement, la quasi-totalité des sélecteurs chromatographiques chiraux développés sont constitués d’une unique entité cyclodextrine dont la substitution varie selon les besoins. Nous nous sommes proposés de réaliser des composés macromoléculaires incorporant plusieurs unités oligosaccharides, reliées de façon covalente par un pont polyéther (linéaire ou cyclique). Ceci afin d’évaluer, par comparaison avec les cyclodextrines monomères analogues, l’effet coopératif des cyclodextrines d’une même entité moléculaire d’une part, et/ou d’une cyclodextrine et du pont polyéther associé d’autre part. Ce travail décrit la synthèse et la caractérisation (RMN, MS, DSC) d’une série de nouveaux sélecteurs chiraux ainsi que l’évaluation de leurs sélectivités lorsque employés en chromatographie gazeuse et en électrophorèse capillaire.. [R2O]6. O. 6. 6. R1. O 6. 6. β 3. 2. [OR2]7 [OR2]7. [OR2]6. β 3. [R2O]7. 6. 6. β 2. [OR2]7 [OR2]7. R1 = pont polyéther. 3 2 O [OR2]7 [OR2]6. [OR2]7. β R1. O. 2. [OR2]6. 3. [OR2]7. R2 = Me ou Et. La variation de la nature du pont ainsi que des substituants sur les cyclodextrines permet de moduler les propriétés physiques (polarité, viscosité, point de fusion,…) et chromatographiques des composés cibles. La comparaison des valeurs de α pour les nouveaux sélecteurs et les cyclodextrines peralkylées analogues révèle des différences plus ou moins marquées de sélectivité, particulièrement entre colonnes pourvues ou non d’éthers couronne. Ceci étant l’indice d’une interférence du polyéther central dans le mécanisme de reconnaissance..

(6) Summary. The univocal determination of enantiomeric compositions and absolute configurations proves to be a task of paramount importance. Indeed, in very many cases, the specific interactions between the receptors of living systems and the substrates considered are closely related to their chirality. Currently, nearly all developed chiral chromatographic selectors consist of a single cyclodextrin entity whose substitution varies according to needs. We synthetized macromolecular compounds incorporating several oligosaccharide units, connected in a covalent way by a polyether bridge (linear or cyclic). This was done in order to evaluate, by comparison with the similar monomeric cyclodextrins, the cooperative effect of several cyclodextrins of the same molecular entity on one hand, and/or of a cyclodextrin and the associated polyether bridge on the other hand. This work describes the synthesis and characterization (NMR, MS, DSC) of a series of new chiral selectors as well as the evaluation of their selectivities when used in gas chromatography and capillary electrophoresis.. [R2O]6. O. 6. 6. R1. O 6. 6. β 3. 2. [OR2]7 [OR2]7. [OR2]6. β 3. [R2O]7. 6. 6. β 2. [OR2]7 [OR2]7. R1 = polyether bridge. 3 2 O [OR2]7 [OR2]6. [OR2]7. β R1. O. 2. [OR2]6. 3. [OR2]7. R2 = Me ou Et. The variation of the nature of the bridge as well as the substituents on the cyclodextrins makes it possible to modulate the physical (polarity, viscosity, melting point,…) and chromatographic properties of the target compounds. The comparison of the values of α for the new selectors and the similar peralkylated cyclodextrins reveals more or less marked differences in selectivity, particularly between columns equipped or not with crown ethers. This being an indication of interference of the central polyether in the mechanism of recognition..

(7) TABLE DES MATIERES. I. INTRODUCTION ______________________________________________________1 I.1 I.2. GENERALITES _______________________________________________________1 BUT DU TRAVAIL ____________________________________________________3. II. ASPECTS THEORIQUES _____________________________________________5. II.1 LES ETHERS COURONNE _______________________________________________5 II.1.1 Généralités________________________________________________________5 II.1.2 Synthèse des éthers couronne _________________________________________8 II.1.2.1 La méthode de haute dilution _____________________________________10 II.1.2.2 La méthode du ¨template¨ ________________________________________10 II.1.2.3 La méthode du contrôle de conformation ____________________________11 II.1.3 Les éthers couronne en chromatographie _______________________________11 II.1.3.1 Les éthers couronne en chromatographie gazeuse _____________________11 II.1.3.2 Les éthers couronne en chromatographie liquide ______________________14 II.2 LES CYCLODEXTRINES _______________________________________________17 II.2.1 Généralités_______________________________________________________17 II.2.2 Synthèse de cyclodextrines modifiées __________________________________19 II.2.2.1 Généralités ___________________________________________________19 II.2.2.2 Monosubstitution en position 6____________________________________22 II.2.2.3 Monosubstitution en position 2____________________________________23 II.2.2.4 Monosubstitution en position 3____________________________________25 II.2.3 Synthèse de cyclodextrines pontées ____________________________________26 II.2.4 Les cyclodextrines en chromatographie ________________________________31 II.2.4.1 Les cyclodextrines en chromatographie gazeuse ______________________31 II.2.4.2 Les cyclodextrines en électrophorèse capillaire _______________________32. III. SYNTHESE ET CARACTERISATION DES SELECTEURS_____________35. III.1 ETHERS COURONNE _________________________________________________36 III.1.1 Synthèse des précurseurs ___________________________________________36 III.1.2 Cyclisations, déprotections et sulfonations _____________________________43 III.1.3 Considérations structurelles sur les éthers couronne obtenus_______________49 III.2 CYCLODEXTRINES MONOFONCTIONALISEES _______________________________53 III.2.1 Synthèse des mono-6-OH-perméthyl- et mono-6-OH-peréthyl-β-cyclodextrine _53 III.2.2 Synthèse de la mono-2-OH-perméthyl−β-cyclodextrine ___________________55 III.2.3 Analyses RMN et MS des cyclodextrines monohydroxylées_________________57 III.3 CYCLODEXTRINES PONTEES ___________________________________________66 III.3.1 Synthèses________________________________________________________66 I.

(8) III.3.2 Purifications _____________________________________________________77 III.3.3 Caractérisations __________________________________________________78 III.3.3.1 Analyses par point de fusion, DSC et CCM _________________________78 III.3.3.2 Analyses par spectroscopie IR____________________________________80 III.3.3.3 Analyses par spectrométrie de masse ______________________________81 III.3.3.4 Analyses par résonance magnétique nucléaire _______________________84. IV. EVALUATION DES SELECTEURS CHIRAUX _______________________88. IV.1 UTILISATION DES SELECTEURS EN CHROMATOGRAPHIE GAZEUSE_______________88 IV.1.1 Introduction _____________________________________________________88 IV.1.2 Paramètres influençant la qualité des colonnes capillaires chirales __________91 IV.1.2.1 Influence de la nature et de la pureté des cyclodextrines _______________91 IV.1.2.2 Influence de la nature du polysiloxane _____________________________93 IV.1.2.3 Influence de la solubilité du sélecteur dans le polysiloxane _____________94 IV.1.2.4 Influence de la concentration de sélecteur __________________________95 IV.1.2.5 Influence de la température d’élution ______________________________95 IV.1.2.6 Considérations sur les mécanismes de reconnaissance chirale ___________96 IV.1.3 Préparation des colonnes ___________________________________________99 IV.1.3.1 Considérations sur les sélecteurs synthétisés ________________________99 IV.1.3.2 Désactivation de la surface du capillaire___________________________100 IV.1.3.3 Dépôt de la phase stationnaire___________________________________101 IV.1.4 Evaluation des colonnes ___________________________________________102 IV.2 UTILISATION DES SELECTEURS EN ELECTROPHORESE CAPILLAIRE _____________120 IV.2.1 Introduction ____________________________________________________120 IV.2.2 Principe des séparations chirales en électrophorèse capillaire_____________121 IV.2.3 Paramètres influençant la qualité des séparations_______________________122 IV.2.3.1 Influence de la nature des cyclodextrines __________________________122 IV.2.3.2 Influence de la concentration du sélecteur _________________________122 IV.2.3.3 Influence des additifs organiques, de la nature de la solution tampon et de la température du capillaire. _____________________________________________123 IV.2.4 Test des sélecteurs _______________________________________________124. V. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES ________________________________131. V.1 V.2. RESUME DU TRAVAIL ET CONCLUSIONS _________________________________131 PERSPECTIVES ____________________________________________________136. VI. PARTIE EXPERIMENTALE ______________________________________138. VI.1 TECHNIQUES EXPERIMENTALES _______________________________________138 VI.1.1 Verrerie et produits_______________________________________________138 VI.1.2 Chromatographies sur couche mince _________________________________139 VI.1.3 Chromatographies sur colonnes_____________________________________139 VI.1.4 Chromatographies rotatives ________________________________________139 VI.1.5 Spectroscopie infrarouge __________________________________________139 VI.1.6 Spectroscopie par résonance magnétique nucléaire _____________________140 VI.1.7 Spectrométrie de masse ___________________________________________140 VI.1.7.1 Mode DCI __________________________________________________140. II.

(9) VI.1.7.2 Mode ESI___________________________________________________140 VI.1.7.3 Mode MALDI _______________________________________________140 VI.1.8 Points de fusion__________________________________________________140 VI.1.9 Calorimétrie à balayage différentiel__________________________________140 VI.1.10 Chromatographie gazeuse ________________________________________141 VI.1.11 Electrophorèse capillaire _________________________________________141 VI.2 SYNTHESES _______________________________________________________142 VI.2.1 Précurseurs d’éthers couronne______________________________________142 VI.2.2 Ethers couronne _________________________________________________157 VI.2.3 Cyclodextrines monohydroxylées ____________________________________166 VI.2.4 Cyclodextrines peralkylées _________________________________________169 VI.2.5 Cyclodextrines pontées ____________________________________________170. VII VIII. BIBLIOGRAPHIE _____________________________________________183. ANNEXE ___________________________________________________194. VIII.1 LISTE DES PRODUITS SYNTHETISES ___________________________________194 VIII.1.1 Précurseurs d’éthers couronne ____________________________________195 VIII.1.2 Ethers couronne ________________________________________________196 VIII.1.3 Dérivés de cyclodextrines méthylées ________________________________197 VIII.1.4 Dérivés de cyclodextrines éthylées__________________________________198. III.

(10) I I.1. INTRODUCTION. GENERALITES. La détermination univoque des compositions énantiomériques et des configurations absolues se révèle être une tâche d’importance primordiale pour les chimistes et les biochimistes lors de la synthèse, la caractérisation et l’utilisation de produits optiquement actifs. Dans de nombreux cas, les interactions spécifiques entre les récepteurs des systèmes vivants et les substrats considérés sont intimement liées à la chiralité de ceux-ci. Des études biologiques démontrent qu’il peut y avoir des différences significatives dans les actions, les vitesses d’adsorption, de distribution, de métabolisme et d’excrétion entre les énantiomères d’une même substance [1,2]. La tendance consistant à développer les principes actifs de médicaments, pesticides, fongicides, herbicides, phéromones, parfums, arômes, etc. sous forme optiquement pure est actuellement accentuée par la pression des autorités chargées du contrôle et des autorisations de commercialisation.. 1.

(11) Introduction. La difficulté inhérente à la détermination d’excès énantiomériques est due au fait que les isomères montrent des propriétés identiques (à l’exception de la rotation optique) dans un environnement achiral. L’induction de la chiralité ou la résolution de mélanges racémiques requiert la présence d’un environnement chiral. Ainsi, des catalyseurs, auxiliaires ou sélecteurs chiraux se révèlent nécessaires lors de synthèses ou d’isolements de composés optiquement actifs . La formation des espèces diastéréoisomériques correspondantes implique une différence énergétique entre celles-ci, ce qui permet leur discrimination. Ces diastéréoisomères peuvent être formés de façon covalente et leur séparation consécutive effectuée en tirant bénéfice de leurs propriétés chimiques ou physiques différentes par cristallisation, chromatographie, distillation, etc. La substance énantiomériquement pure est ensuite isolée après libération de l’auxiliaire chiral utilisé. Les séparations énantiomériques indirectes sont d’un usage fréquent, particulièrement à grande échelle, bien que la nature, la disponibilité, le coût ou la pureté optique des agents de dérivation soient quelquefois les facteurs limitants de cette stratégie. Les méthodes de séparation énantiomériques qualifiées de ¨directes¨ sont généralement basées sur la formation de paires moléculaires diastéréoisomériques temporaires. Des interactions de type électrostatique, liaison hydrogène, van der Waals, π-π, dipôle-dipôle et des phénomènes d’inclusion contribuent aux processus de reconnaissance chiraux. Ces méthodes de séparation permettent donc l’accès aux composés énantiomériquement purs en évitant l’étape, parfois laborieuse, d’élimination de l’auxiliaire de séparation. La résolution directe peut s’effectuer par interaction entre le mélange énantiomérique et un sélecteur chiral, incorporé dans une phase stationnaire ou additionné dans une phase mobile. La chromatographie en phase gazeuse (GC), l’électrophorèse capillaire (CE), l’électrochromatographie capillaire (CEC), la chromatographie liquide haute performance (HPLC), la chromatographie fluide supercritique (SFC) et la chromatographie sur couche mince (CCM) sont les techniques chromatographiques analytiques actuellement les plus employées pour la résolution d’énantiomères. L’efficacité, la sensibilité, la vitesse d’analyse élevée et la diversité des méthodes de détection font de la chromatographie en phase gazeuse une méthode de choix pour l’analyse chirale. Toutefois, la volatilité et la stabilité thermique des échantillons sont des conditions inhérentes à cette technique qui limitent son emploi universel. De ce fait, l’électrophorèse capillaire et la chromatographie liquide haute performance représentent des méthodes complémentaires efficaces, applicables également aux molécules peu volatiles et de stabilité thermique limitée. Les faibles solubilités de certains sélecteurs et/ou solutés dans les phases mobiles requises par ces techniques constituent un de leurs désavantages majeur. La synthèse et la découverte des propriétés complexantes des premiers éthers couronne par Pedersen [3] sont à l’origine du développement de la chimie macromoléculaire. L’intérêt de tels macrocycles provient du fait que ces composés se révèlent sélectifs lors de la complexation avec une grande variété de substrats neutres ou ioniques. La modification des paramètres structurels des éthers couronne, comme la taille de la cavité, le nombre d’atomes d’oxygène, la longueur des chaînes aliphatiques les reliant ou encore la nature des substituants. 2.

(12) Introduction. sur le cycle, ont été reportées [4-8]. La sélectivité des complexations s’est révélée dépendante des paramètres sus-mentionnés ainsi que des interactions chimiques propres au couple sélecteur/soluté. Dès lors, l’expansion de ce domaine de recherche n’a cessé de croître. La multiplication des travaux relatifs à la synthèse de nouveaux macrocycles en témoigne [4]. Parmi les nombreuses applications de ces composés, on peut citer l’extraction ou la détection sélective de ions (métalliques, inorganiques ou organiques) en solution, la catalyse de réactions, la simulation de processus biologiques ou leur utilisation comme sélecteurs dans des processus chromatographiques. Leurs propriétés complexantes prononcées et le fort caractère nucléophile de la cavité se sont révélés particulièrement intéressantes lors de l’analyse de composés polaires ou d’isomères positionnels de composés aromatiques, aussi bien en chromatographie gazeuse que liquide. Parmi les différents types de phases chirales actuellement utilisées en chromatographie chirale, les cyclodextrines et leur dérivés occupent une place prépondérante et permettent la séparation d’un nombre relativement important de mélanges d’énantiomères. La grande modularité de leurs propriétés physiques (polarité, solubilité, température de fusion, stabilité chimique,…) permet d’utiliser leurs chiralités intrinsèques dans de nombreuses techniques chromatographiques. A ce jour, il n’existe pas de sélecteur chiral universel permettant l’analyse de tous les isomères connus. La synthèse de nouveaux sélecteurs résultant de l’association covalente d’une ou plusieurs cyclodextrines avec des polyéthers cycliques ou linéaires doit permettre d’une part d’étendre le spectre des séparations chromatographiques, et d’autre part d’apporter d’éventuels éclaircissements concernant les mécanismes de ces résolutions. Ce dernier point est de nature à permettre d’exploiter au mieux les pouvoirs séparateurs des sélecteurs existants et à venir.. I.2. BUT DU TRAVAIL. Le présent travail a pour objectif de synthétiser, puis d’évaluer la sélectivité chromatographique de nouveaux oligomères de cyclodextrines. Actuellement, la quasi-totalité des sélecteurs chiraux développés sont constitués d’une unique entité cyclodextrine, dont la substitution varie selon les besoins. Nous nous sommes proposés de réaliser des composés macromoléculaires incorporant plusieurs unités oligosaccharides, reliées de façon covalente. Ceci afin d’évaluer, par comparaison avec les monomères analogues, l’effet coopératif pouvant résulter de la proximité de celles-ci. L’introduction d’un pont pouvant contribuer lui-même à la sélectivité est envisagée. Les éthers couronne, de par leurs propriétés structurelles particulières, montrent des sélectivités intéressantes lorsque utilisés en chromatographie. Leur incorporation dans les composés cibles doit permettre d’apprécier la contribution d’éléments externes aux cyclodextrines sur les mécanismes énantiosélectifs propres à ces sélecteurs. La partie synthétique de ce travail a comme objectif d’obtenir des cyclodextrines modifiées de haute pureté, le but étant d’avoir à disposition des sélecteurs montrant une grande. 3.

(13) Introduction. reproductibilité. La multiplicité des produits secondaires pouvant être obtenus au cours des différentes synthèses, justifie les soins à prendre lors de la mise au point des conditions réactionnelles et des opérations de purification. La voie de synthèse convergente envisagée est la suivante : [HO]7. 6. Cyclodextrine native. β 3 [OH]7. [R2O]6. Cyclodextrine monohydroxylée. Oligomère de cyclodextrine. OH. GS. R1. GS. Pont (polyéther cyclique ou linéaire) sous forme de diol. OH. 6. β. [R2O]6. R1. 2 [OH]7. 6. 3 [OR2]7. HO. Pont équipé de groupes sortants (GS). 2 [OR2]7. 6. 6. O. R1. O. β 3 [OR2]7. 6. 6. [OR2]6. β 2 [OR2]7. 3 [OR2]7. 2 [OR2]7. Schéma I-1 : Voie de synthèse envisagée pour l’obtention d’oligomères de cyclodextrines. L’utilisation des composés cibles comme constituants de phases stationnaires pour la GC ou comme additifs à la solution tampon en électrophorèse capillaire, doit permettre de conclure quant aux facteurs (substitution, polarité, solubilité, position de pontage) favorisant, ou au contraire limitant, leur emploi dans le cadre de l’une ou l’autre de ces techniques.. 4.

(14) II II.1. ASPECTS THEORIQUES LES ETHERS COURONNE. II.1.1 Généralités Originellement, les éthers couronne ont été définis comme des composés monocycliques comprenant des atomes d’oxygène incorporés dans un squelette monocyclique carboné. Suite à l’intérêt considérable suscité par ce type de composés (prix Nobel décerné en 1987 à Pedersen, Lehn et Cram pour leur travaux innovateurs dans ce domaine) et à la grande diversité des dérivés synthétisés (cf. Figure II-2), cette définition a été quelque peu élargie et englobe également les macrocycles comprenant des hétéroatomes tels que l’azote ou le soufre. La forme de couronnes de ces composés construits sur la base d’unités 1,2-éthanediol sont à l’origine de leur appellation. Selon les règles de nomenclature énoncées par Pedersen, le nom contient l’information sur la nature des substituants, le nombre total d’atomes composant le 5.

(15) Aspects théoriques. macrocycle, le terme ’’couronne’’ et une référence au nombre d’oxygènes incorporés dans ce même macrocycle. Ainsi, le composé illustré ci-dessous est le dibenzéno-18-couronne-6 (ou DB18C6 sous forme abrégée).. O O. O. O. O O. Figure II-1 : Ether dibenzéno-18-couronne-6 reporté par Pedersen [3]. Depuis les premières synthèses reportées par Pedersen [3] il y a près d’un quart de siècle, les éthers couronne ont bénéficié d’une attention particulière du fait de leur capacité à former des complexes avec de nombreux substrats, chargés ou non. L’arrangement spatial singulier des atomes donneurs crée un environnement à forte densité électronique au centre du macrocycle, ce qui lui confère un caractère nucléophile. La symétrie moléculaire conjuguée à l’alternance d’atomes d’oxygène hydrophiles et de fragments hydrocarbures lipophiles sur le cycle donne aux éthers couronne une solubilité quasi universelle. Ceci permet donc, entre autres, leur utilisation comme catalyseurs de transfert de phase.. O O. O O. O. O. O. O. O. O. O. O. O. S. O. O. S. O. O. S O. O. S. O. O. S. O. N. S. H. Figure II-2 : Quelques exemples d’éthers couronne. Une propriété intéressante des éthers couronne réside dans le fait que la majeure partie d’entre eux forment des complexes avec les ions métalliques, de stabilité et de sélectivité plus élevées que leurs analogues linéaires acycliques (podants). Le terme ‘’effet macrocyclique’’ a été introduit pour caractériser cette particularité. Les facteurs principaux contribuant de manière. 6.

(16) Aspects théoriques. significative à cet effet sont (a) la pré-organisation favorable du ligand et (b) la diminution des répulsions dipôle-dipôle au centre de la cavité. (a) En assumant la pré-organisation du ligand adaptée à un substrat donné, l’étape de complexation ne nécessite alors qu’un ajustement minimal de la conformation du ligand. Ce n’est pas le cas pour l’analogue acyclique, dont l’ajustement conformationnel important est à la fois défavorable en termes d’enthalpie et d’entropie. (b) Dans une structure macrocyclique préorganisée, les atomes donneurs sont confinés dans un espace restreint, ce qui implique de fortes interactions dipôle-dipôle énergétiquement défavorables. L’introduction d’une entité déficiente en électrons (un cation par exemple) au sein de la cavité contribue à la réduction de celles-ci. Des modifications judicieuses du squelette des éthers couronne, du nombre et de la nature des hétéroatomes permettent d’en moduler la sélectivité. Toutefois, si les polyéthers cycliques de petite taille (et donc de rigidité accrue) montrent des sélectivités respectives marquées pour des cations particuliers, le passage à des cavités de tailles supérieures se fait au détriment de la spécificité des complexations. En effet, les éthers couronne de taille plus importante peuvent adopter des conformations différentes en fonction de la présence d’un substrat et de la nature de celui-ci (cf. Figure II-3).. Figure II-3 : Conformations cristallines de l’éther 18-Couronne-6 à l’état libre (à gauche) et en présence d’un ion potassium (à droite) [8]. L’introduction de substituants sur une molécule d’éther couronne peut avoir plusieurs desseins. Les groupes alkyles, et spécialement ceux à longues chaînes, augmentent de manière significative la lipophilicité des macrocycles, permettant ainsi leur solubilisation et l’utilisation de leurs propriétés complexantes dans une gamme de solvants organiques plus large. L’introduction aux abords de la cavité de substituants (éthers, carboxylates,…) capables de former des liaisons de coordinations supplémentaires avec les ions métalliques génèrent ce qu’on appelle des ¨éthers de lariat¨. Généralement, les complexes métalliques de ce type de macromolécules montrent une stabilité accrue par rapport à leurs analogues non substitués.. 7.

(17) Aspects théoriques. O Me. O O. O M+. N O. O O. Figure II-4 : Exemple de complexation d’un ion métallique par un éther de lariat. Lehn et ses collaborateurs ont été les premiers à proposer une nouvelle classe de composés bicycliques, les cryptands, dérivés des éthers couronne [9]. La géométrie tridimensionnelle de la cavité et l’augmentation du nombre d’atomes donneurs dans ces macrocycles, induit des constantes de complexation avec des ions métalliques pouvant se révéler supérieures de deux à trois ordres de grandeur par rapport aux analogues monocycliques.. O. O. N O O. O O. O. O N. N. O. O N. N. N. O. O N O O. O. O O. N. Figure II-5 : Exemples de cryptands. Les éthers couronne montrent également la faculté de former des complexes stables, avec des ions non-métalliques (cations organiques, anions organiques et inorganiques) ou des molécules organiques neutres. Comme les espèces organiques présentent généralement une complexité structurelle plus élevée que les cations métalliques, les intensités des interactions ligand-soluté dépendent autant de la taille de la cavité, que de l’environnement chimique des macrocycles. La complexation de molécules neutres par un éther couronne, résulte d’une ou de la combinaison de plusieurs des interactions suivantes : liaison hydrogène, interaction hydrophobe, inclusion moléculaire et éventuellement interaction π-π (si présence de groupes aromatiques sur le ligand).. II.1.2 Synthèse des éthers couronne La formation du cycle est une étape clé dans la synthèse des composés macrocycliques. Deux approches générales sont possibles :. 8.

(18) Aspects théoriques. 1) Cyclisation d’un précurseur linéaire approprié :. 2) Condensation 1 :1 de deux fragments distincts :. Bien que les deux approches soient reportées, la seconde, plus simple, s’avère être la plus courante [4]. Par ailleurs, les réactions nécessaires à la fermeture du cycle peuvent être réalisées par couplage : (a) de deux hétéroatomes (b) d’un hétéroatome et d’un atome de carbone (c) de deux atomes de carbone La méthode (a) est d’un usage plutôt restreint. Celle-ci n’est reportée que dans le cas d’éthers couronne disulfides obtenus à partir de précurseurs dithiols [8]. Malgré l’abondance de techniques synthétiques relatives à la formation de squelettes carbonés sophistiqués, (c) ne semble pas être fréquemment mise en oeuvre pour l’obtention de ce type de composés. Quasiment toutes les synthèses de polyéthers cycliques recourent à la méthode (b). De plus, la très grande majorité des macrocycles synthétisés à ce jour sont les produits de réaction d’un même type, à savoir une substitution nucléophile, où un hétéroatome riche en électrons réagit avec un atome de carbone électrophile. Deux problèmes majeurs régissent dès lors les synthèses contrôlées de macrocycles. Premièrement, les réactivités relatives des précurseurs doivent être adaptées. Une augmentation de la nucléophilicité du fragment porteur de l’hétéroatome ou de l’électrophilicité du carbone impliqué se révèlent nécessaire. La conversion d’alcools ou de thiols dans leurs alcoolates et thiolates respectivement, ainsi que celles des amines en sels sulfonamides va dans ce sens. Le carbone électrophile est généralement activé par l’introduction en α de groupes halogénures, mésylates, triflates et très souvent tosylates. Toutefois, une trop grande activation ou l’emploi de bases trop fortes peuvent conduire à des réactions d’élimination non désirées. La mise au point des conditions réactionnelles passe donc forcément par une juste balance entre l’électrophilie et la force basique. Le second problème consiste à limiter au maximum les oligomérisations linéaires qui peuvent concurrencer la formation du cycle. Ce processus ne peut être totalement évité, les réactifs de départ étant dans tous les cas bifonctionalisés. Toutefois, un certain nombre de méthodes. 9.

(19) Aspects théoriques. expérimentales ont été mises au point afin de favoriser la cyclisation aux dépends de la formation d’oligomères. Elles sont brièvement expliquées ci-dessous.. II.1.2.1 La méthode de haute dilution La synthèse de macrocycles est généralement effectuée à haute dilution. Cette méthode repose sur le fait qu’en milieu fortement dilué, une réaction intramoléculaire induisant la formation d’un macrocycle est préférée à une réaction intermoléculaire générant des polymères. Le processus de cyclisation entre deux précurseurs distincts est rarement synchrone, c’est-à-dire que les deux liaisons nécessaires pour l’obtention d’un cycle ne se forment pas simultanément. On admet plutôt en processus en deux étapes : a) une réaction intermoléculaire impliquant une paire de centres réactionnels, b) une réaction intramoléculaire entre les deux autres centres. C’est la raison pour laquelle la méthode dite de ‘’haute dilution’’ est non seulement applicable pour la fermeture de molécules linéaires bifonctionelles, mais également pour des cyclisations de type 1 :1. En pratique, on ajoute simultanément les solutions des deux réactifs de départ dans un large volume de solvant agité vigoureusement. Lorsque la condensation est intramoléculaire, le précurseur linéaire est additionné lentement dans une solution très diluée de la substance initiant la cyclisation, généralement une base.. II.1.2.2 La méthode du ¨template¨ Les réactions catalysées par un ¨template¨ sont invariablement effectuées en présence de cations métalliques. Ces derniers activent les réactifs, en les orientant favorablement les uns par rapport aux autres par complexation. L’effet ¨template¨ est employé lors de la synthèse d’éthers couronne de tailles diverses, et peut influencer fortement les rendements. Dans certains cas, l’absence d’un cation approprié dans le milieu réactionnel peut même conduire à la formation exclusive d’oligomères linéaires. L’exemple ci-dessous illustre l’effet du cation potassium, lors de l’étape de cyclisation du composé 18-couronne-6 :. Schéma II-1 : Cyclisation de l’éther 18-couronne-6 catalysée par effet ¨template¨ [10]. 10.

(20) Aspects théoriques. La méthode souffre toutefois de quelques désavantages. Une synthèse catalysée par effet ¨template¨ fournit généralement un complexe constitué du macrocycle et d’un sel du cation métallique en question. L’isolement du ligand sous sa forme pure peut parfois se révéler être une opération difficile. De plus, des variations, même minimes, des structures des réactifs destinés à être cyclisés ont des répercussions sur les sélectivités des éthers couronne correspondants. Il est dès lors souvent difficile de prédire le ¨template¨ le plus approprié pour une réaction particulière.. II.1.2.3 La méthode du contrôle de conformation Un certain nombre de cyclisations peuvent être effectuées dans des solutions concentrées en l’absence d’ions ¨template¨ si les conformations respectives des réactifs sont suffisamment rigides pour favoriser nettement une seule des réactions possibles. Ainsi, l’introduction de substituants sur les précurseurs peut parfois limiter la mobilité des centres réactionnels tout en les pré-orientant favorablement. L’effet est encore accru, si les distances entre les deux couples de groupes fonctionnels destinés à être condensés, sont égales. Les synthèses de porphyrines et de phtalocyanines sont basées sur ce principe.. II.1.3 Les éthers couronne en chromatographie Les propensions à former des complexes, les hautes sélectivités mesurées pour les cations métalliques alcalins et alcalino-terreux, ont permis l’utilisation des éthers couronne dans de nombreux domaines : la catalyse de transfert de phase, la biomimétique ou encore la chimie analytique [4]. C’est certainement dans ce dernier domaine que les applications sont actuellement les plus nombreuses, et les éthers couronne sont fréquemment engagés dans des processus de mesure, d’extraction ou de séparations sélectives de ions. Parallèlement à ces multiples applications dans le domaine de la chimie des cations métalliques, les éthers couronnes se sont révélés être également une nouvelle gamme de sélecteurs efficaces pour des molécules organiques dans diverses techniques chromatographiques.. II.1.3.1 Les éthers couronne en chromatographie gazeuse Les capacités de recouvrement remarquables et les sélectivités particulières vis-à-vis des composés polaires montrés par les phases stationnaires à base de polyéthers linéaires (polyéthylènes glycols) sont à la base de leur emploi relativement répandu en chromatographie gazeuse. Toutefois, elles souffrent d’une température minimum d’utilisation élevée (60°C) et une faible stabilité chimique (forte propension à l’oxydation). Ces limitations ont stimulé le développement de phases montrant des sélectivités similaires, les inconvénients en moins. Les éthers couronne se sont révélés être une judicieuse alternative. Différentes approches ont été proposées quant à l’utilisation de ce type de composés en chromatographie gazeuse.. 11.

(21) Aspects théoriques. Les premiers travaux relatifs à l’incorporation d’éthers couronnes dans des phases stationnaires remontent au milieu des années 80 [11]. Des composés tels que le dibenzo-18couronne-6 ou le dicyclohexo-24-couronne-8 servent à imprégner des supports inertes (Gaschrom Q, Chromosorb, carbochromes,…) et sont utilisés dans des colonnes remplies, tandis que le 24-couronne-8 est directement appliqué sur les parois de colonnes capillaires (WCOT) [12]. Bien qu’il soit possible d’effectuer d’excellentes séparations chromatographiques de plusieurs classes de composés (alcanes, alcools, composés aromatiques), l’utilisation des éthers couronne sous leur forme libre est restreinte par des problèmes d’efficacité, d’adhérence sur les supports et de dégorgement (¨bleeding¨). Afin de remédier à ces limitations, Fine et al. [13] ont proposé le greffage in situ de macrocycles sur des polysiloxanes immobilisés. L’originalité de la technique réside dans le fait que les réactions de copolymérisation sont effectuées à l’intérieur même des capillaires. Cette approche, reprise par Zeng et al. [14] conduit à des colonnes possédant une stabilité thermique élevée permettant la résolution de mélanges de polarité étendue. Cependant, le manque de reproductibilité, le mécanisme de réaction incertain et la composition variable des polymères ainsi obtenus, se révèlent être des obstacles à un emploi généralisé de telles phases. Le greffage préalable des éthers couronne sur les polysiloxanes avant leur mise en colonne s’est révélé être l’alternative la plus efficace. Le recours à des réactions d’hydrosilylation permet d’obtenir des phases de composition univoque de façon reproductible. En 1988, Rouse et al. [15] reportent la synthèse d’un polyhydrométhylsiloxane substitué par des unités 18couronne-6 (cf. Figure II-6) ainsi que l’évaluation des propriétés chromatographiques de ce sélecteur.. CH3 H3C. Si CH3. CH3 O. Si CH3. CH3 O. Si. n. CH3 Si. O. ( CH2 )3. m. CH3. CH3. O CH2 O O O. O O. O. Figure II-6 : Phase stationnaire reportée par Rouse et al. [15]. Plusieurs autres groupes ont ensuite appliqué cette même stratégie pour fixer différents macrocycles sur le même type de polymère [16-19]. Quelques exemples des phases reportées sont illustrées ci-dessous :. 12.

(22) Aspects théoriques. CH3 H3C. Si CH3. CH3 O. CH3. CH3. Si. O. ( CH2 )3. Si. n. a). CH3. H3C. Si CH3. CH3. CH3 O. Si. O. ( CH2 )3 O. b). CH3. CH3 Si. n. CH3. H3C. O. O. O. O. CH3. Si. CH3. CH3. c). O. Si. CH3 O. (CH2 )3. Si. n. CH3. CH3. N O O. O O. O O. O O O. O O. Figure II-7 : Exemples de phases stationnaires comportant des éthers couronnes greffés sur des polysiloxanes. Les phases ainsi obtenues montrent des polarités moyennes (indices de Reynolds entre 200 et 400) et leur viscosité se révèle être adéquate pour une incorporation dans les colonnes capillaires. Les hautes efficacités généralement mesurées en attestent. La formation de liaisons hydrogène joue un rôle important dans la sélectivité des phases stationnaires comportant des éthers couronnes. Les temps de rétention accrus des composés susceptibles de former de telles liaisons (alcools, amines) en constituent la preuve indirecte. La nature des hétéroatomes ou des substituants situés au voisinage de la cavité affectent également les sélectivités. La présence de groupements phényles sur les macrocycles, par exemple, augmente la stabilité thermique et confère une certaine polarisabilité aux phases stationnaires, permettant des interactions dipôle-dipôle induit entre le soluté et les sélecteurs. Ceci permet l’excellente résolution d’isomères positionnels de composés aromatiques polaires avec des temps d’analyse relativement réduits. La structure de la cavité intervient également dans les processus de séparation. Il a été observé que les isomères para du nitrophénol ou de la nitroaniline, au contraire des isomères ortho et méta, sont parfaitement complexés par des éthers dibenzo-24-couronne-8 ou dicyclohexanol24-couronne-8, comme le confirment leurs temps de rétention accrus. La formation potentielle de complexes ‘’sandwich’’ de type 2 :1 (éther-couronne : soluté) sur des structures suffisamment flexibles élargi encore le domaine de sélectivité à des solutés plus volumineux [17]. Enfin, le greffage d’une entité éther couronne chirale sur un polysiloxane a permis à Zhou et al. [19] de résoudre plusieurs mélanges racémiques d’alcools et amines primaires, tout en conservant une excellente sélectivité pour les isomères positionnels de composés aromatiques. Celui-ci conclut que la formation de liaisons hydrogènes et la présence de groupements aromatiques sur les solutés sont des conditions nécessaires pour pouvoir effectuer des séparations chirales avec ce type de sélecteurs. Une approche sensiblement différente, proposée par Fu [20], consiste à diluer des βcyclodextrines peréthylées et perméthylées dans des polysiloxanes incorporant des éthers couronne ( a) et b) dans Figure II-7). Les phases mixtes ainsi obtenues combinent les 13.

(23) Aspects théoriques. propriétés des deux types de sélecteurs (énantiosélectivité et résolution d’isomères positionnels), sans toutefois révéler d’effet coopératifs positifs entre ceux-ci. Ce concept est repris par Zeng et Liu [21] qui reportent la synthèse d’un nouveau sélecteur constitué d’un éther couronne lié de façon covalente à une cyclodextrine perméthylée (cf. Figure II-8). La dissolution de celui-ci dans une matrice polysiloxane (OV 1701) et l’incorporation dans des colonne capillaires permet, comme précédemment, la séparation d’isomères positionnels de composés aromatiques et d’énantiomères. Toutefois, les mélanges racémiques des solutés polaires (alcools) doivent être dérivés avant injection, indice d’une polarité importante de la phase.. O. [MeO]6. 6. 6. O. β 3. O. N. O. 2. [OMe]7 [OMe]7. Figure II-8 : Sélecteur chiral reporté par Zeng et Liu [21]. II.1.3.2 Les éthers couronne en chromatographie liquide Tout comme en chromatographie gazeuse, les sélecteurs à base de macrocycles permettent la séparation de composés organiques polaires en chromatographie liquide, et plus spécialement ceux susceptibles de former des liaisons hydrogènes. L’utilisation d’éthers couronne en tant que sélecteurs dans les processus chromatographiques liquide (électrophorèse capillaire, HPLC) peut se faire selon deux approches. Soit les éthers couronne sont fixés de façon covalente sur la phase stationnaire, soit ils sont additionnés sous forme libre dans la phase mobile. Le greffage de telles entités (diaza-18C6, polyvinylbenzèno-18C6,…) sur des gels de silice ou des adsorbants de type poly(méthyl-métacrylates) génèrent des phases stationnaires adaptées, entre autres, à la séparation en HPLC d’isomères de composés aromatiques substitués, d’acides nucléiques et de protéines [8]. Une alternative au greffage consiste à appliquer les macrocycles sous la forme de films très fins sur des adsorbants de même type. Toutefois, les colonnes ainsi obtenues ne sont utilisables que pour une gamme limitée de polarité de phase mobile ; l’emploi de solvants lipophiles dans des proportions trop importantes entraînant la solubilisation du sélecteur. Des colonnes HPLC commerciales à base d’éthers couronne chiraux (par exemple Crownpack CR(+)®) sont largement utilisées pour la résolution d’acides aminés et de composés pharmaceutiques [22]. Les temps de rétention et les efficacités des séparations peuvent être modulées par adjonction de cations métalliques qui modifient les équilibres de complexation ligand-soluté.. 14.

(24) Aspects théoriques. Les macrocycles sont fréquemment utilisés en tant qu’additifs à la phase mobile, aussi bien en électrophorèse capillaire qu’en HPLC. Toutefois, les solubilités limitées de certains de ceuxci dans les phases aqueuses peuvent parfois être un obstacle pour un tel usage, spécialement en EC. La grande affinité des amines primaires protonées (par ajustement du pH de la solution tampon) avec les éthers de type 18-couronne-6 (18C6 et dicyclohexyl-18C6, cf. Figure II-9) permet d’influencer notablement les mobilités relatives d’isomères incorporant de tels groupes et d’obtenir la séparation d’acides aminés, de peptides, d’amines aromatiques, etc [8]. Le développement d’un macrocycle chiral de taille analogue (l’acide tétracarboxylique-18couronne-6), reporté par Lehn [23], a permis à Kuhn [24] d’étendre l’utilisation des éthers couronnes à la résolution de mélanges d’énantiomères en EC. La présence de 4 groupes carboxyliques sur le cycle, en plus d’augmenter la solubilité du sélecteur en phase aqueuse, permet de moduler la charge globale (et ainsi la sélectivité) de celui-ci par contrôle du pH de la solution tampon. O. O. O. O. O. O. O. O. O. O. HOOC. HOOC. O O. O. O. O. COOH. COOH. O. O. O. 18C6. Dicyclohexyl-18C6. Acide tétracarboxylique-18C6. Figure II-9 : Exemples d’éthers couronne utilisés en tant qu’additifs à la phase mobile en EC. Une autre approche intéressante, proposée par Armstrong [25], consiste à additionner simultanément un éther couronne achiral (en fait le 18C6) et une cyclodextrine appropriée (native ou dérivée suivant les cas) à la solution tampon. Celui-ci reporte que la présence du macrocycle en solution peut affecter de manière positive (augmentation de la résolution, majeure partie des cas) ou au contraire altérer les séparations d’amines chirales observées avec la cyclodextrine comme unique sélecteur. Il explique ce phénomène par la formation de complexes trimoléculaires (soluté/18C6/cyclodextrine). La partie hydrophile de la molécule (-NH3+) est en quelque sorte masquée par interaction avec l’éther couronne et l’approche de la partie hydrophobe (contenant le centre chiral) vers la cavité de la cyclodextrine ainsi favorisée. La figure suivante illustre cette hypothèse :. O. O. R. Ar. O H. *. C. R'. H. + N. O. H. O. O. Figure II-10 : Conformation du complexe trimoléculaire proposé par Armstrong lors de la séparation d’amine primaires en présence de 18C6 et de cyclodextrines en EC. 15.

(25) Aspects théoriques. Ce concept se révèle particulièrement intéressant en ce sens qu’il permet d’imaginer des sélecteurs macromoléculaires constitués d’unités distinctes (comme ici cyclodextrines-éthers couronne) liées de façon covalente, fonctionnant sur le même principe de pré-orientation du soluté avant inclusion.. 16.

(26) Aspects théoriques. II.2. LES CYCLODEXTRINES. II.2.1 Généralités Les cyclodextrines sont des oligosaccharides cycliques constitués d’unités glucopyranoses liées entre elles par des liaisons glycosidiques α(1-4). Elles résultent de la dégradation enzymatique de l’amidon par les cyclodextrines glucosyl transférases (CGTases), telles que Bacillus macerans et Alcaliphilic bacilli, d’origine bactérienne. Cette réaction génère le détachement d’une partie de l’hélice d’amidon accompagné d’une cyclisation. Les quantités relatives des différentes cyclodextrines ainsi obtenues dépendent non seulement du type d’enzyme utilisé mais également de l’addition de composés organiques dans le milieu réactionnel. Bien que des cyclodextrines contenant jusqu’à 12 unités glucoses aient été isolées, seules les cyclodextrines α (cyclomaltohexaose, 6 unités glucoses), β (cyclomaltoheptaose, 7 unités glucoses) et γ (cyclomaltooctaose, 8 unités glucoses), ont été l’objet d’études extensives et sont commercialement disponibles.. [OH]7. [OH]6. 3. 2. 2. OH. 6. 6. O O. 2. HO. I-VI. OH. OH. O. 4. 5. O. 1 3. 2. HO. 6. 2. [OH]8 [OH]8. 6. 5. 1 3. 3. [OH]7 [OH]7. OH. 4. γ. 3. [OH]6 [OH]6. O. 6. β. α. 5. [OH]8. 6. 6. I-VII. 7. 1 3. HO. OH. O. 4 2. OH. I-VIII. 8. Figure II-11 : Structure chimique et représentations simplifiées des cyclodextrines natives α, β et γ. Chaque unité glucopyranose se trouve dans une conformation chaise rigide. L’arrangement macrocyclique des CD correspond à un tore, qu’elles soient sous forme solide ou en solution. La grande face du tore est occupée exclusivement par des fonctions alcools secondaires (positions 2 et 3), tandis que la petite l’est par des fonctions alcools primaires (position 6).. 17.

(27) Aspects théoriques. Figure II-12 : Disposition des groupes hydroxyles dans la β-cyclodextrine. Ces groupements OH situés sur les ouvertures sont responsables de l’hydrophilicité des cyclodextrines natives. La forme macrocyclique augmente la rigidité de l’édifice en favorisant la formation de ponts hydrogènes intramoléculaires entre les OH des positions 2 et 3. La rotation des groupements secondaires se trouve ainsi réduite, contrairement à celle des hydroxyles en position 6. Ces derniers restreignent partiellement l’accès à la cavité par cette face dite ¨primaire¨. Du fait de l’absence de groupes hydroxyles à l’intérieur de la cavité, celle-ci est à la fois hydrophobe et apolaire, ce qui favorise la formation de complexes d’inclusion (par interactions hydrophobes). Il a été observé que certaines propriétés (stabilité, solubilité, toxicité, odeur,…) des molécules ainsi complexées peuvent être notablement modifiées, ce qui confère aux cyclodextrines un intérêt particulier dans les domaines pharmaceutiques [26] et analytiques [27,28] par exemple.. Figure II-13 : Dimensions respectives des cyclodextrines α (a), β (b) et γ (c). 18.

(28) Aspects théoriques. Cyclodextrines α 6 30 972.86 174 12.332 14.5 551 11. Nombre d'unités glucoses Nombre de centres chiraux Masse moléculaire Volume approximatif de la cavité [nm3] pKa (mesuré par potentiométrie) à 25°C dans H2O Solubilité dans l'eau [g CD/ 100 ml H2O] Point de fusion et de décomposition [°C] Teneur max. en H2O à l'état cristallin [% m/m]. β 7 35 1135.01 262 12.202 1.85 572 14. γ 8 40 1297.15 427 12.081 23.2 540 11. Tableau II-1 : Caractéristiques sélectionnées des cyclodextrines natives. La grande stabilité chimique des cyclodextrines conjuguée à la possibilité de modifications sélectives font d’elles des molécules d’un grand intérêt pour les chimistes de synthèse. Ainsi elles permettent l’accès rapide et peu coûteux à des unités constructives de configuration définie et aux propriétés complexantes fort variées. Comme elles sont non-toxiques, biodégradables et solubles dans l’eau sous leur forme native, elles se prêtent à la solubilisation ou l’encapsulation de divers médicaments, parfums ou arômes [26]. L’homochiralité des cyclodextrines, due à leur constitution à partir uniquement d’unités Dglucoses, élargit considérablement leur champ d’application. Du fait de leur origine biotechnologique, seuls les isomères dextrogyres sont générés, et pas des formes racémiques ou lévogyres. Dans de nombreux cas, l’inclusion de molécules chirales dans la cavité des cyclodextrines se révèle être un processus énantiosélectif, grâce à la différence des constantes de complexation entre les énantiomères et la molécule hôte. Ceci a notamment permis l’utilisation des cyclodextrines comme auxiliaires chiraux en spectroscopie RMN [29], comme catalyseurs asymétriques de nombreux types de réactions [30] ou encore comme sélecteurs chiraux dans des procédés analytiques et/ou préparatifs (GC, HPLC, électrophorèse capillaire).. II.2.2 Synthèse de cyclodextrines modifiées II.2.2.1 Généralités Les cyclodextrines, à l’état natif, présentent un intérêt relatif du fait de leur polarité élevée, leur faible solubilité dans les solvants organiques et leur rigidité structurelle. La modification contrôlée des hydroxyles en position 2, 3 et 6 a ouvert la voie à une multitude d’applications nouvelles. Ces oligosaccharides cycliques montrent des propriétés de sucres non réducteurs, à l’image des unités α-D-glucoses qui les composent. Leur squelette ne comportant que des fonctions éthers, ils se révèlent stables dans une large gamme de conditions réactionnelles. Toutefois, un milieu relativement acide conduit à l’hydrolyse des liaisons glycosidiques et à l’ouverture du macrocycle. Cette réactivité particulière peut être mise à profit pour obtenir des sucres. 19.

(29) Aspects théoriques. linéaires de longueur et conformations bien définies [31,32]. Cependant, la très grande majorité des modifications chimiques des cyclodextrines sont effectuées sur les groupes alcools. Plus généralement, ceux-ci sont convertis, en fonction des utilisations projetées, dans une ou plusieurs des trois classes suivantes : - éthers ( O-C ou O-Si ) - esters ( O-COR, O-SO2-R) - déoxy ( Halogène, S-, NR2, époxy ) La consultation de la liste quasi-exhaustive de tous les dérivés de cyclodextrines synthétisés jusqu’en 1996 [28] permet de se faire une bonne idée de l’attrait dont bénéficie ce type de composés. Les modifications sélectives des cyclodextrines natives sont rendues laborieuses par des facteurs stériques et statistiques résultants du nombre élevé d’hydroxyles renfermés (de 18 à 24). Des dérivés homologues avec des degrés de substitution variables peuvent être obtenus lors des synthèses. Le fait que les hydroxyles présents dans les différentes positions (2, 3, 6) entrent en compétition lors des réactions accroît considérablement le problème. Un nombre important d’isomères positionnels peut être ainsi créé, d’où des opérations de purification laborieuses. Le recours à chromatographie (CCM, HPLC, GC), la RMN haute résolution et la spectrométrie de masse permet d’établir le degré de pureté des échantillons isolés. Les facteurs principaux régissant la chimie des cyclodextrines sont les différences de nucléophilicité et d’acidité des groupes hydroxyles en fonction de leur position, et la potentielle formation de complexes avec les réactifs. Toute modification de cyclodextrine native se fait au niveau de ces groupes hydroxyles. Comme cette dernière fonction est nucléophile par nature, toute réaction initiale consiste forcément en une attaque nucléophile. Des trois types d’OH présents dans les cyclodextrines, ceux en position 6 sont les plus basiques (de ce fait également les plus nucléophiles), ceux en 2 les plus acides, et ceux en 3 les moins réactifs. Une régiosélectivité peut donc être induite par un choix judicieux des conditions expérimentales, notamment du réactif. Ainsi, les électrophiles forts, comme le TMSCl, réagiront indistinctement avec tous les hydroxyles. Par contre, le TBDMSCl, moyennement électrophile et fortement encombré, se fixera sélectivement en position 6. Les travaux de Cramer et al. [33] et de Takeo et al. [34] constituent de bonnes illustrations de cette flexibilité comportementale. Les hydroxyles en position 2 étant les plus acides (pKa ~ 12.2) seront les premiers déprotonés [30,35-37]. L’alcoxyde ainsi formé sera plus nucléophile que les OH primaires non déprotonés. Cependant, des transferts de protons entre ces deux positions peuvent compliquer sérieusement cette stratégie de synthèse. L’optimisation des conditions réactionnelles (choix du solvant, de la base, de l’électrophile,…) peuvent permettre de conserver cette sélectivité.. 20.

(30) Aspects théoriques. L’accès sélectif aux groupements OH secondaires en position 3, les moins réactifs, se fait généralement lorsque les homologues en 2 et en 6 ont été préalablement bloqués [38]. Un autre facteur régissant la chimie des cyclodextrines est leur propension à former des complexes. Quand un réactif électrophile interagit avec la cyclodextrine, son orientation au sein du complexe peut s’avérer être un paramètre décisif pour la détermination du site réactionnel (cf. Chapitre II.2.2.3). En l’absence de ce phénomène (très grande majorité des cas), c’est la nucléophilie relative des groupes hydroxyles qui sera le facteur principal régissant la structure du produit final. Le choix du solvant influence grandement l’énergie de formation de tels complexes. Le chlorure de tosyle, par exemple, réagit avec l’αcyclodextrine pour donner le produit tosylé en position 6, alors que la même réaction effectuée en milieu aqueux favorise la formation du produit substitué en position 2 [39]. La taille de la cavité joue également un rôle. Ceci peut être expliqué par le fait que l’orientation du complexe est influencé par le degré de pénétration de l’électrophile dans la cavité. Les cyclodextrines α, β et γ pourront générer des produits différemment substitués dans des conditions réactionnelles pourtant identiques. Même les hydroxyles en position 3, d’accès généralement difficile, peuvent être ainsi sélectivement modifiés [40]. Il est donc relativement difficile de généraliser les stratégies, et nombre de publications dans ce domaine relèvent de l’optimalisation, au cas par cas, de résultats empiriques. La chimie computationelle pourrait s’avérer être une alternative efficace au problème. Une autre stratégie de synthèse, pour éviter la formation de produits avec des substitutions non désirées, est fréquemment utilisée. Elle est basée sur une suite de protections et déprotections successives. Il s’agit dans un premier temps de protéger sélectivement les sites de réaction non désirés. Ces derniers n’étant plus disponibles, le nucléophile est amené à réagir avec les groupements hydroxyles restés libres. Un exemple spécifique et bien connu de ce genre d’approche est la peralkylation de la face secondaire. Une protection préalable des hydroxyles des positions 6 est nécessaire, par exemple par silylation. Les OH en position 2 et 3 sont ensuite amenés à réagir avec des halogénures d’alkyles. Une déprotection de la face primaire fournit ensuite le produit désiré. L’élaboration de structures macromoléculaires covalentes comportant des unités cyclodextrines pontées, implique inévitablement leur monofonctionalisation à un certain stade du schéma synthétique. L’abondante littérature relative à ce sujet atteste de la nécessité à pouvoir disposer de méthodes hautement sélectives. Les alternatives possibles étant nombreuses et ayant été récemment passées en revue [28,41,42], nous nous sommes attachés à décrire les plus couramment utilisées. Elles sont regroupées ci-après par la position sur laquelle a lieu la fonctionalisation unique.. 21.

(31) Aspects théoriques. II.2.2.2 Monosubstitution en position 6 OTs. R1. 6. 6. β. β. [OH]20. I II. N3 6. β. β. [OH]20. R1 = I , N3 , SCOCH3 , alkyl-ou polyalkylamines , alkylthio R2 = alkyle , acyle. [OH]20. O. III IV. NH2. 6. β [OH]21. [OH]20. O. H. 6. OH. 6. β. β. [OH]20. [OH]20. OTBDMS. OTBDMS. 6. OH. 6. β. β. [OH]20. [OR2]20. 6. β [OR2]20. Schéma II-2 : Méthodes générales pour la monosubstitution de β-cyclodextrines en position 6. La méthode la plus utilisée pour une mono-modification de cyclodextrine consiste à introduire un tosylate sur un unique groupement hydroxyle primaire (I dans Schéma II-2). Ce composé se révèle être un intermédiaire-clé pour l’accès à de très nombreux oligosaccharides analogues monosubstitués. La tosylation de cyclodextrines est un processus non-sélectif et produit habituellement un mélange d’oligosaccharides tosylés sur les sites primaires et secondaires ainsi que des dérivés di- et tritosylés. Cette opération requiert généralement des opérations de purification fastidieuses. Le rendement final en produit désiré est souvent limité à cause de réactions d’échange avec les ions chlorure ou d’élimination (formation d’alcènes ou de composés 3,6anhydro). Toutefois, l’utilisation de pyridine comme solvant, au contraire du DMF par exemple, permet de diriger plus spécifiquement la réaction sur les hydroxyles en position 6. Ceci est dû à la formation d’un complexe pyridinium au sein de la cavité, qui oriente favorablement le réactif électrophile. Malgré les inconvénients relatifs à leur obtention, les monotosylates ont été largement utilisés [28] et de nombreuses améliorations des conditions réactionnelles ont été proposées. La méthode de choix [43] consiste à faire réagir la cyclodextrine native et le l’anhydride p-toluènesulfonique en milieu aqueux alcalin. Le rendement est de 61% après recristallisation. Le sulfonate ainsi obtenu peut être aisément substitué par des nucléophile appropriés pour accéder aux monoiodo- [44], monoazido-, monothio- et monoamino-cyclodextrines correspondantes (II dans Schéma II-2).. 22.